数字孪生水利水电工程扩展数据结构建立方法

伍杰 姜佩奇 刘辉 刘志明 张社荣

关键词：数据结构；扩展；BIM；IFC；数字孪生；水利水电工程

水利部高度重视智慧水利建设，将智慧水利作为新阶段水利高质量发展的显著标志并大力推进。智慧水利建设主要内容为数字孪生系统建设，其包括数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生工程三部分。水利部提出新建大型和中型水利枢纽工程、引调水工程、泵站工程．大型灌区输配水工程、江河湖泊治理工程、蓄滞洪区工程应同步开展数字孪生设计。据不完全统计，在國内外工程数字孪生实现过程中，将近90%的时间被用在建模过程中，若不选择合理的数据结构，则会降低模型的可靠性、可计算性、可维护性等。

水利水电工程涉及地质、测绘、水工、机电等众多专业，各专业之间需要协同配合。BIM技术是数字孪生工程设计的关键技术，为工程设计提供更为便捷有效的途径。然而，BIM成果大都是以整体模型文件的形式传递，如果不对数据进行扩展，将导致各专业难以形成统一的BIM数据使用规则和使用需求，数据互通难度加大，冗余信息增多，严重影响模型的使用，因此现阶段亟须形成一套符合水利水电工程标准的BIM表达和多专业数据互通方法。为实现BIM的规范性数据交换，IAI（国际协同工作联盟）提出了IFC，其是一种工程数据交换标准。但IFC中的实体类型有限，构件数据交换时往往会因表达方式不一致而丢失数据。针对这一问题，近年来各学者也展开了大量研究。例如：Xu等首次建立了PPP（政府和社会资本合作）项目绩效评价指标体系，通过IFC映射和扩展表达了评价指标信息，并在此基础上，构建了基于IFC的PPP项目绩效评价模型。Xu等提出一种基于Brep（边界表示）的实体转换方法，利用IFC标准中的几何模型实现了有限元分析，同时基于IFC信息的扩展和表达，实现了有限元结构信息的快速提取。Krijnen等对IFC整体架构进行扩展，为点云模型和IFC文件的统一存储提供了方法指导。Kim等提出了IFC扩展的范围和理论基础、主要建模概念、实体定义方法以及实现方案。上述方法都为IFC扩展提出了不同的解决方案。然而，目前却没有一套针对水利水电工程的可扩展数据结构建立方法。本文提出水利水电工程按需扩展IFC原数据结构方法，实现包含几何信息、属性信息等的扩展IFC导出，以期满足水利水电工程信息存储与应用需求。

1水利水电工程IFC扩展方法

1.1IFC标准结构

IFC结构从低到高分为资源层（ARCHITECTURELAYER）、核心层（CORE LAYER）、共享层（INTEROP-ERABILITY LAYER）和领域层（DOMAIN LAYER）。各层之间有严格的引用规则，一个实体可以引用同层或更低层的元素，但不能引用高层的元素。当上层资源发生调整后，下层资源不会受影响。资源层提供角色资源、审批资源、约束资源、成本资源、时间资源、外部参考资源、几何约束资源、几何模型资源、几何资源、材质资源、测量资源、外观定义资源、介绍定义资源、介绍组织资源、档案资源、属性资源、数量资源、表示资源、结构荷载资源、拓扑资源和公用资源共21个资源块，可被任意调用。核心层提供建筑工程核心数据模型，包括1个内核模块和3个扩展模块（控件扩展模块、过程扩展模块和产品扩展模块）。核心层主要用于定义实体的基本结构、基本关系和通用概念，可被共享层和领域层引用。共享层提供共享建筑元素、共享建筑服务元素、共享组件元素、共享设施元素和共享管理元素共5类元素，用于定义建筑领域的共同概念或对象。共享层定义的元素可以被共享层和领域层引用。领域层提供建筑领域、建筑控制领域、施工管理领域、电气领域、暖通领域、管道领域、结构分析领域和结构元素领域共8个领域。领域层是IFC结构的最高层次，层中定义的实体是自包含的，不能被其他层引用。

水利水电工程本身包含众多专业，须使用领域层中建筑领域、结构分析领域、结构元素领域、电气领域和施工管理领域的实体定义，共享层中的板（IFCSlab）、柱（IFCColumn）、梁（IFCBeam）等共享建筑元素，以及项目订单（IfcProjectOrder）、项目成本（IfcCostltem）等共享管理元素。但对于水利水电工程独有的挡水建筑物、施工导流建筑物、泄水建筑物、引水发电建筑物等众多功能性建筑物，须进行标准化定义。此外，针对未被纳入共享建筑元素中的灌浆、衬砌、喷混、支护、止水等公共构件，也须进行标准化定义。

1.2IFC扩展模式

IFC扩展模式包括基于IfcProxy的扩展、实体扩展和属性集扩展三类。基于IfcProxy的扩展是对IFC中未定义的实体进行通用性表达。通过实例化IfcProxy并赋予相应的几何描述和属性集描述，即可实现BIM元素的IFC表达。实体扩展通过新增实体描述来实现。在符合IFC表达规则的基础上，通过扩展IFC的实体描述，并建立与已有实体的派生和关联关系，可实现扩展实体的表达。属性集扩展面向静态属性集、预定义属性集和自定义属性集。静态属性集是依附于实体的属性信息集合，不会改变IFC原有结构框架。预定义属性集和自定义属性集统称为动态属性集，可先在已有属性集的框架内扩展，之后再与实体关联。本文采用实体扩展结合属性集扩展的方式实现基于IFC的数字孪生水利水电工程标准化数据格式表达。

1.3IFC扩展表达

IFC表达遵循客观化关系的原则，这意味着实体之间的语义相关关系不是通过实体的直接关联形成的，而是要借助表示关系的中介对象；同时，IFC的相关关系表达存在一个重要原则，即前向关系总是由关系对象构成，并指向相关对象。图1为IFC表达的中介对象。IfcRelationship是IFC中所有客观关系的抽象概括，包括IfcRelAssociates、IfcRelDecomposes、If_cRelDefines、IfcRelConnects、IfcRelAssigns 5种关联方式。IfcRelAssociates用于关联库、文档、约束、材料等信息源，IfcRelDecomposes定义被组合或分解元素的关联关系，IfcRelDefines用于将属性集分配给对象实例或将属性集模板分配给属性集，IfcRelConnects用于定义物理实体间的连接关系，IfcRelAssigns用于连接If_cObject实例和它的第一级子类型。

本文扩展采用在IFC4格式文件中定义扩展内容的方式。在遵照原有类别和属性的同日寸，扩充类型（Type）、功能（Function）和规则（Rule），用于描述各类构件之间的所属关系与属性集信息。EXPRESS语言作为一种非实现语言，独立于建模软件存在，因此可以直接在IFC标准的EXPRESS文件基础上扩展新的实体类型和属性集。本文采用EXPRESS-G视图结合开源软件Express Engine Tools實现IFC扩展，避免庞杂的修改工作，降低出错率。

1.4水利水电工程IFC扩展体系

水利水电工程建设是一项复杂的系统化工程，涵盖规划、可研、初设、施工图设计、建设、运维等阶段，涉及众多专业，各专业业务既有一定的独立性，又密切相关。因此，水利水电工程IFC扩展既要满足各阶段数据移交的需要，又要满足专业间的协同交互。为保证各阶段移交数据不丢失，IFC扩展应按照《水利水电工程信息模型分类和编码标准》（T/CWHIDA 0007-2020），保证移交前后编码的一致性；同时须在已有领域的基础上扩展水利水电工程领域，用于在IFC已有框架结构下对水利水电工程功能性建筑物进行区分。为保证专业间高效协同，应对各专业设计的成果进行实体类型定义和属性集扩展。在共享层中，针对未被纳入共享建筑元素的公共构件，也须进行补充完善。扩展后的IFC体系见图2。

2坝体IFC扩展表达

挡水建筑物是最重要的水工建筑物，其作用是拦截或约束水流、壅高水位、调蓄水量，包括大坝、堤防、海堤、施工围堰等。大坝主要功能是拦截和调节水流，形成水库，使蓄水库的水能够用于发电、农业灌溉、工业生产和城市供水等。大坝设计方案的确定要经历选址等过程，因此在扩展坝体的基础上，还应对其空间聚合关系进行扩展表达，以满足后续移交需求。坝体的选型、坝高、坡度、材料分区等设计结果应实现规范化入库，并通过属性集扩展实现模型与入库信息的动态关联。

2.1大坝实体扩展表达

水利水电工程实体扩展表达的目的是为功能构件提供规范化的语义信息描述和空间信息描述，从而保证数据提取的高效性和数据交互的便捷性。新定义的实体表达可引用同层或下层的类别，从而大大提高表达的规范性和效率。大坝的实体扩展表达见图3，其中IfcDamElement表示实体类型，IfcDamElementType提供IfcDamElement的类型信息。

2.2坝体IFC空间聚合关系扩展表达

由于水利水电工程涉及专业众多、系统庞杂、设计周期较长，因此在进行实体扩展的同时，还应对其空间聚合关系进行表达，即描述不同层次空间对象的聚合关系。描述空间语义信息的类包括IfcSite．IfcBuilding、IfcBuildingStorey以及IfcSpace，这些实体的属性和特性均来自IfcSpatialStructureElement。

IfcDam在IFC模型中的空间层次描述见图4。层次结构的顶部是IfcProject对象，它描述项目的整体信息。IfcSpatialStructureElement携带的CompositionType属性定义元素是整体的一部分还是嵌人类型。元素的实体描述和空间描述通过关系类IfcRelReferencedln-SpatialStructure实现，IfcRelContainedInSpatialStructure只能将一个实体对象分配给一个空间对象。若一个实体对象需要被链接到多个空间对象，则应该通过IfcRel-ReferencedInSpatialStructure链接到其他空间对象。

2.3坝体IFC属性集扩展表达

属性集扩展表达是对语义扩展表达的补充。根据水利水电工程的属性扩展需求，将这些直接定义在IFC中的属性集称为集成式属性集，将存储在各个数据库中的属性集称为分布式属性集，并形成以集成式属性集为主、分布式属性集为辅的属性集扩展表达方式。IFC的属性集扩展表达见图5。

3水利水电工程坝体IFC扩展文件导出与验证

3.1基于Autodesk Revit的导出功能开发

选择Autodesk Revit商业软件为BIM建模软件，Microsoft Visual Studi0 2017为基础开发工具。通过安装Autodesk Revit 2019的SDK包实现IFC文件导出，其涵盖名称、版本、类别、IFC导出规则、XML描述规则等。其中IFC导出规则以Revit IFC Exporter开源工具包为基础，利用IFCExporterUIOverride定义IFC导出界面，采用xaml进行描述；利用Revit. IFC. Common定义导出实体类型、IFC文件导出头与基本结构、导出过程、导出进度条、兼容类型检查方法、实体类型验证方法、节点树的通用导出方法等；利用Revit. IFC. Export定义导出类别、属性集与关联关系。为保证BIM信息的规范化入库，在Exporter.cs中的ExportIFC（）方法中添加模型文件导人数据库的操作。

3.2XML描述

XML描述采用mvdXML实现，XML文件后缀名为.xsd。mvdXML的实体描述规则是一致的，以Ifc-DamBody为例进行说明，其mvdXML描述定义见图6，包含名称、类型、父元素、属性集描述等。

3.3EXPRESS描述修改

IFC扩展规则采用EXPRESS语言描述，后缀名为.exp。EXPRESS语言是一种面向对象的信息模型描述语言，可以与各种编程环境（C、C++、FORTRAN等）衔接，其自身具备一种不依赖于系统的中性机制，可在不受软件本身局限的基础上灵活修改，因此将扩展表达定义在IFC文件中。EXPRESS描述修改内容包括领域层描述、共享层描述和属性集描述，其中：领域层描述增加ENTITY IfcHydraulicElement及其子集，共享层描述增加ENTITY IfcDamElement及其子集，属性集描述士曾加TYPE IfcDamBodyTypeEnum。

3.4接口调用与文件导出

调整并加载自定义的族映射关系exportlayers -ifc -IAI.txt，勾选导出Revit属性集选项，定义导出路径和导出版本，点击导出，即可导出扩展IFC文件，并将相关信息存储至数据库中。

3.5导出结果验证

导出的IFC文件以“ISO-10303-21;”开头，以“END-ISO-10303-21;”结尾。IFC文件包括HEADER和DATA两部分．HEADER首端以“HEAD-ER;”开头，以“ENDSEC；”结尾，内容涵盖文件描述、IFC版本等信息；数据段以“DATA;”开头，以“END-SEC;”结尾，内容涵盖BIM模型的所有属性信息。使用文档编辑器打开导出的IFC文件，可检索到IFC-DAMELEMENT及其扩展属性，见图7，证明扩展实体与属性已被识别与导出。

4面向设计变更的水利水电工程数据阶段性移交应用

水利水电工程具有极强的实践性、复杂性、风险性，往往会因没有充分考虑实际建设条件而调整设计方案并进行设计变更结果的数字移交。在数字移交过程中，不仅要保留未变更和发生变更的设计结果及相关说明文件，还要保证已有的施工信息不丢失，设计变更阶段新产生的施工信息能够与变更后的设计结果自动关联。基于此，结合上述研究成果，建立面向设计变更的数字移交方法，见图8。当发生设计变更时，首先结合工程实际情况对设计方案进行调整，使用BIM工具建立新的设计方案；其次利用扩展IFC导出接口将BIM设计结果以扩展IFC的形式导出，并建立变更要素与设计信息库、施工信息库之间的关联关系，构建完整的数字移交模型：再次以设计阶段完成時构建的数字移交平台为基础，启动相应的服务功能，并将扩展IFC结构转换成可供平台解析的数据结构，结合设计变更阶段产生的施工管理信息一同发布到数字移交平台：最后将整个平台移交至施工方手中，实现面向设计变更的数字移交。

以一次设计变更为例，云南省某大坝建基面开挖后，依据开挖揭露的地质条件对11#-13#坝段进行设计变更：上游侧增加高程为1430m的平台，其上、下坡比分别调整为1：0.75、1：1：下游侧扩大高程为1440m的平台范围：8#坝段下游侧建基面高程由1422m抬高至1427m; 9#-11#坝段坝横0+065.00后建基面高程由1422m抬高至1425m，最终的数字移交模型见图9。基于设计结果进行模型出图，并存储到设计信息库。数字移交模型的转换与信息关联操作界面见图10，最终的平台发布结果见图11，相应的设计信息和施工信息都被关联到模型结构中。

5结论

通过按需扩展IFC原数据结构，实现包含几何信息、属性信息等的扩展IFC导出，并通过数据移交案例，验证该方法的有效性。具体成果如下：

1）提出一套针对水利水电工程的IFC扩展方法。在不影响IFC原数据结构的前提下，通过在IFC的共享层和领域层扩展水利水电工程实体、空间聚合关系和属性集，形成一种满足水利水电工程各阶段数据移交和专业间协同交互需求的新数据结构。

2）提出一套基于Autodesk Revit软件的IFC扩展文件导出方法，并通过对导出文件进行信息检索，验证数据结构的扩展性和信息的完整性。该方法具有一定的普适性，对于铁路、市政等工程BIM模型的IFC扩展文件导出同样适用。

3）提出一套面向设计变更的水利水电工程数据阶段性移交方案，实现施工阶段数字化移交过程中数据的高效无损传递。然而，即使采用相同的IFC标准格式，现阶段不同BIM建模平台之间依然存在部分兼容性不强和待优化的问题，不同软件厂商之间始终存在技术壁垒。因此，基于不同建模平台的建模机制，研发兼容统一的协同交换工具，是未来应重点解决的问题；同时，研发拥有自主知识产权的国产BIM软件是打破国外商业软件桎梏的有效手段。